F6系統無(wú)線(xiàn)電能傳輸的優(yōu)化分析

摘要：實(shí)現航天器模塊之間的電能傳輸，對未來(lái)衛星的設計將產(chǎn)生重要的影響，而無(wú)線(xiàn)電能傳輸技術(shù)被認為是F6(分離模塊)系統中成熟度最低的技術(shù)。采用電流型諧振耦合傳輸系統，研究了系統的電能傳輸效率特性，提出了加入阻抗變換電路來(lái)改變負載等效阻抗的方法，改善了系統的電能傳輸效率。
關(guān)鍵詞：F6系統；阻抗變換；效率優(yōu)化；Buck-Boost電路

0 引言
“分離模塊航天器”(F6)英文全稱(chēng)為：Future，Fast，Flexible，Fractionated，Free-Flying Spacecraft United byInformation Exchange，直譯為通過(guò)信息交換連接的“未來(lái)、快速、靈活、分離模塊、自由飛行航天器”。分離模塊空間系統組成決定了單個(gè)分離模塊提供的能量不能滿(mǎn)足大功率設備的能量消耗，需要無(wú)線(xiàn)電能傳輸模塊為其提供能量，因此無(wú)線(xiàn)電能傳輸是分離模塊空間系統的重要組成部分，也是分離模塊系統功能實(shí)現的保障。
在研究無(wú)線(xiàn)電能傳輸機理的基礎上，構建系統分析的等效互感模型，對各種諧振拓撲和工作模式下的電能傳輸系統的傳輸特性進(jìn)行了全面分析，給出了一種適用于諧振耦合電能傳輸系統的分析方法，采用Buck-Boost電路進(jìn)行優(yōu)化等效阻抗，從而實(shí)現整個(gè)系統電能輸出的性能的最優(yōu)化。

1 電流型諧振耦合傳輸系統
諧振耦合電能傳輸技術(shù)利用了電磁感應理論與松耦合變壓器理論，結合了當今最新的電力電子技術(shù)與微電子技術(shù)，實(shí)現了電能的非接觸式傳輸，典型的磁諧振耦合電能傳輸技術(shù)的原理框圖如圖1所示。系統主要由工頻整流濾波電路部分、高頻逆變電路部分、磁共振耦合部分、接收線(xiàn)圈的整流及穩壓部分、用電設備的供電控制部分等五部分組成。為了減少系統的無(wú)功功率容量，提高系統的傳輸效率，通常對原、副邊電感采用諧振補償的方式來(lái)提高系統傳輸效率，但是采用補償網(wǎng)絡(luò )以后系統很容易發(fā)生失諧，失諧條件下，很難完成電能的有效傳輸，原因主要有：線(xiàn)圈內阻、開(kāi)關(guān)損耗、負載阻抗變化等。這些因素在頻率較低時(shí)對傳輸效率的影響不明顯，但系統高頻(MHz)工作時(shí)它們的影響卻不能忽視。其中，線(xiàn)圈內阻和開(kāi)關(guān)損耗都能改進(jìn)，負載阻抗的變化則需要通過(guò)特定的電路設計來(lái)優(yōu)化。

2 基于阻抗變換的效率優(yōu)化
在接收電路之后加入整流和Buck-Boost環(huán)節，如圖2所示。副邊接收電壓經(jīng)過(guò)電容Cs諧振補償，再經(jīng)過(guò)整流濾波電路之后，得到直流電U1，該直流電經(jīng)過(guò)Buck-Boost環(huán)節后給負載RL供電，其輸出電壓為Uo。其中，Ropt是諧振網(wǎng)絡(luò )之后的等效電阻，隨著(zhù)傳輸距離的改變而變化，R1為整流濾波電路之后的等效電阻，是固定值。